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- 칠레 아타카마 사막, 라 실라 천문대의 망원경으로 매일 밤 500장의 하늘사진 촬영 예정
- 칠레 고원에 위치한 새로운 베라 루빈 천문대는 2025년 6월에 첫 번째 이미지가 공개
- 스태킹(stacking)을 사용: "다양한 발생원의 신호를 서로 겹쳐서 보여주는 방식
- 특수 머신러닝 알고리즘 덕분에 우리 은하의 중성미자 신호를 가시화하는 데 성공

탐사 및 스태킹
천문학자들이 중성미자 근원을 찾는 방법

하늘 전체를 지속적으로 관측할 수 있다면 중성미자 근원을 탐지하는 것이 더 쉬워질 것이다. 그러면 입자의 근원에서 초신성이 번쩍이거나, 물질 분사를 생성하는 은하핵도 잡을 수 있을 것이다. 아직 매시간 관측할 수는 없지만, 새로운 천체 탐사 프로젝트가 진행됨에 따라 천문학자들은 이미 이 목표 달성에 매우 근접해 있다. 

▲ 칠레에 위치한 유럽 남방 천문대(ESO) 라 실라 천문대는 라 실라 슈미트 남방 탐사(LS4)의 일환으로 남반구 하늘을 지도화하고 있다. 이는 중성미자 발생원을 탐지하는 데 도움이 될 수 있다. © ESO/B. 타프레시 (twanight.org)

칠레 사막에서 중성미자 탐사

한 가지 예로 2025년에 시작될 라 실라 슈미트 남방 탐사(LS4: La Silla Schmidt Southern Survey)를 들 수 있다. 이 탐사의 일환으로 천문학자들은 칠레 아타카마 사막에 있는 라 실라 천문대의 망원경을 사용해 매일 밤 500장의 하늘 사진을 촬영할 예정이다. 각 사진에서 수천 개의 은하를 볼 수 있다. 단 며칠 만에 남쪽 하늘 전체를 지도에 나타낼 수 있다. "LS4를 통해 남쪽 하늘을 반복적으로 촬영하여 초신성이나 조석 파괴 현상처럼 잠깐 번쩍이는 천체를 관측할 수 있다."라고 루르 대학교 보훔의 프로젝트 참여자인 안나 프랑코비악은 설명한다.

별의 폭발과 블랙홀의 조석력으로 인한 별의 죽음이라는 두 가지 현상은, 연구자들이 아이스큐브 중성미자 검출기를 통해 추적하고 있는 불가사의한 우주 복사의 근원으로 유망한 후보로 여겨진다. 프랑코비악은 "아이스큐브가 측정한 고에너지 중성미자 중 적어도 일부가 초신성에서 유래했다는 것을 증명하는 것은 중성미자 천문학의 획기적인 발전이 될 것이다."라고 말했다.

▲ IceCube 검출기의 고에너지 중성미자 신호. 새로운 분석 방법을 통해 이러한 현상을 더욱 정확하게 감지할 수 있을 것으로 기대된다. © IceCube Collaboration

루빈 천문대도 참여

LS4 천문 탐사는 적색광에 특히 민감해 차가운 천체를 탐지하는 데 효과적이기 때문에 보훔 천문학자들이 참여하고 있는 "시공간 유산 탐사"와 같은 다른 지도 제작 프로젝트를 보완한다. 칠레 고원에 위치한 새로운 베라 루빈 천문대는 2025년 6월에 첫 번째 이미지가 공개되었으며, 이 프로젝트에 활용되고 있다.

프랑코비악은 "이러한 관측을 통해 미래에 중성미자의 근원을 소급적으로 탐색할 수 있다. 관측된 중성미자 방향의 하늘에 무엇이 보였는지, 그리고 이 잠재적인 근원이 며칠 동안 어떻게 변했는지 아카이브에서 확인할 수 있기 때문이다."라고 설명했다. 베라 루빈 천문대와의 협력은 또 다른 이점을 제공한다. 특히 흥미로운 중성미자 발견의 경우, 관측을 중단하고 유령 입자의 근원을 찾는 데 도움을 줄 수 있다.

"스태킹"을 이용한 근원 탐색

루르 대학교 보훔의 두 번째 연구 그룹도 IceCube 프로젝트를 진행하고 있다. 이론 물리학 교수이자 "우주 상호작용 물질" 협력 연구 센터의 대변인인 율리아 튜스(Julia Tjus)는 IceCube 컨소시엄 초기부터 참여해 왔다. 그와 그의 팀은 잠재적 중성미자 발생원 내부의 과정을 모델링하고 있다. 예를 들어, 우주 자기장이 입자를 어떻게 가속하고, 이들이 어떻게 상호작용하여 중성미자를 생성하는지 조사하고 있다. 이 정보는 어떤 발생원이 특히 많은 수의 중성미자를 생성하는지 재구성하는 데 필요하다.

▲ 아래 영상 스틸 컷

Tjus와 그의 팀은 이론과 데이터 분석을 결합하여 지구 대기 중성미자의 배경 잡음에서 은하계 및 은하계 외부 중성미자의 약한 IceCube 신호를 더 효과적으로 필터링하는 데 기여하고 있다. 이를 통해 연구진은 어떤 종류의 천체가 잠재적 발생원이 될 수 있는지 예측할 수 있다. 그들은 이를 위해 스태킹(stacking)을 사용한다. Tjus는 "다양한 발생원의 신호를 서로 겹쳐서 보여주는 방식이다. 이렇게 하면 개별적으로는 너무 약할 수 있는 신호도 함께 볼 수 있다"고 설명했다.

놀라운 사실들

하지만 분석 과정에서 때로는 놀라운 사실들도 발견된다. 감마선 방출 블레이저라고 불리는 특수한 활성 은하핵은 표준 이론에서 예상되는 것보다 적은 중성미자를 방출한다. 이 이론은 중성미자가 항상 감마선과 함께 형성되지만, 관측 결과에서는 감마선이 우세하다고 주장한다. 연구진은 현재 이 퍼즐을 풀고 블레이저가 정확히 언제 중성미자를 방출하는지 알아내기 위해 이론과 머신러닝을 결합하고 있다.

IceCube 팀은 2023년에 가장 큰 놀라움을 경험했다. 도르트문트 공과대학교의 특수 머신러닝 알고리즘 덕분에 우리 은하의 중성미자 신호를 가시화하는 데 성공했기 때문이다. IceCube 중성미자 검출기에 포착된 기본 입자는 전자기파가 아닌 중성미자의 "빛"으로 우리 은하를 처음으로 보여주었다. (끝)

September 2025 - Julia Weiler/ Ruhr-Universität Bochum, RUBIN

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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